Sistemas de transmisión inalámbrica

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1 Sistemas de transmisión inalámbrica Departamento de Sistemas Telemáticos y Computación (GSyC) gsyc-profes (arroba) gsyc.es Septiembre de 2013 GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 1

3 Sistemas de transmisión inalámbrica Espectro electromagnético Rango de frecuencias empleadas en telecomunicaciones (aprox) Radio 1000m - 30 cm Fácil generación, recorren larga distancia, atraviesan edificios. Omnidireccionales Microondas 30cm 10µm Transmisión en ĺınea recta. Mejor relación señal/ruido, necesidad de alineación de antenas. Muy usadas antes de la fibra óptica. Problemas con los sólidos. Problema de desvanecimiento de trayectoria múltiple multipath fading (señal reflejada que interfiere con señal directa) Infrarojos 10µm 1000nm Ultravioleta 400nm 15nm Cables de fibra óptica GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 3

4 Sistemas de transmisión inalámbrica Sistemas de transmisión inalámbrica Satélites (a distintas órbitas) Telefonía móvil: GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSPA+ Infrarrojos: IRDA WirelessPAN (Personal Area Network, p.e. Bluetooth) WirelessLAN (Local Area Network, p.e. WiFi) WirelessMAN (Metropolitan Area Network, p.e. WiMax) GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 4

5 Sistemas de transmisión inalámbrica Ventajas de red inalámbrica: Movilidad del usuario Facilidad de implantación Flexibilidad Inconvenientes: Velocidad de transmisión típicamente un orden de magnitud inferior que redes cableadas Ocupación del espectro Seguridad Consideraciones sobre posible influencia en la salud Las redes inalámbricas permiten distintos niveles de movilidad No movilidad. El receptor debe estar en una posición fija Movilidad dentro del rango de la estación base Movilidad entre diferentes estaciones base GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 5

6 IEEE Sistemas de transmisión inalámbrica Institute of Electrical and Electronics Engineers Organización profesional sin ánimo de lucro Fundada en 1963 de la fusión del Institute of Radio Engineers y el American Institute of Electrical Engineers Organismo internacional, aunque con fuerte influencia estadounidense Publica revistas, organiza conferencias y elabora normas GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 6

7 IEEE 802 Sistemas de transmisión inalámbrica El comité 802 se encarga de redes LAN y MAN de paquetes de tamaño variable (esto excluye p.e. celdas y redes síncronas). Originalmente redes cableadas, posteriormente también inalámbricas Se divide en grupos de trabajo, entre ellos: IEEE 802.1: Bridging & Management IEEE 802.2: Logical Link Control IEEE 802.3: CSMA/CD (Ethernet) Access Method IEEE : Wireless IEEE : Wireless Personal Area Networks IEEE : Broadband Wireless MANs IEEE : Resilient Packet Rings IEEE : Mobile Broadband Wireless Access IEEE : Media Independent Handover Services GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 7

8 Sistemas de transmisión inalámbrica Resumen comparativo Redes de Ordenadores N.Comercial Norma Año V.Trans V.Útil T. cdrom Ethernet IEEE Mbps 1.2 MBytes/s 10 min Fast Ethernet IEEE 802.3y Mbps 12 MBytes/s 1 min Gigabit Ethernet IEEE 802.3z Gbps 120 MBytes/s 6 s WiFi IEEE b Mbps 700 KBytes/s 16 min WiFi IEEE g Mbps 3 MBytes/s 4 min WiFi IEEE n Mbps 40 MBytes/s 17 s modem V kbps 5 KBytes/s 39 horas adsl 256 kbps ANSI T kbps 26 KBytes/s 8 horas adsl 4Mbps ANSI T Mbps 400 KBytes/s 30 min adsl 2 ITU G.992.3/ Mbps 1.3 MBytes/s 9 min adsl 2+ ITU G Mbps 2.6 MBytes/s 5 min GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 8

9 Sistemas de transmisión inalámbrica N.Comercial Norma Año V.Trans V.Útil T. cdrom USB Mpbs 180 KBytes/s 1 hora USB Mpbs 60 MBytes/s 11 s USB Gbps 600 MBytes/s 1 s firewire 400 IEEE 1394a Mbps 50 MBytes/s 14s firewire 800 IEEE 1394b Mbps 100 MBytes/s 7s Bluetooth 1.1 IEEE Mbps 50 KBytes/s 4 horas Bluetooth Mbps 160 KBytes/s 73 min GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 9

10 Sistemas de transmisión inalámbrica Telefonía N.Comerc. Norma Año V.Trans V.Útil T. cdrom 2G gsm kbps 500 Bytes/s 16 dias 2.5 G gprs Kbps 4 KByte/s 2 dias 2.75 G EDGE Kbps 12 KByte/s 16 horas 3G UMTS Kbps 25 KBytes/s 8 horas 3.5G HSPA Mbps 1.4 MBytes/s 9 min 4G LTE? Mbps 4G MobileWIMAX? 2005 GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 10

11 Sistemas de transmisión inalámbrica Los valores son orientativos Año Puede ser el de definición de la norma, o el de aprobación o el de comercialización Velocidad de Transmisión El término inglés es bitrate. También se traduce con otras palabras más o menos rigurosas como tasa de transferencia de datos, velocidad de la conexión tasa de bits o velocidad de transferencia de datos Se expresa en bits/s Se usan potencias de 10, no potencias de 2 Son valores teóricos máximos en condiciones óptimas El fabricante/proveedor puede elegir diferentes valores entre los previstos por el estándar. Frecuentemente subida bajada GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 11

12 Sistemas de transmisión inalámbrica Velocidad Útil T.cdrom Bytes/s. Potencias de 2 Cuál es la carga útil que arrastra un camión lleno de fruta en almibar? Hay que descontar la sobrecarga de los protocolos Entre el 5 % y el 15 % para cable Hasta el 40 % para tecnología inalámbrica Muy dependiente de las circunstancias concretas Estimación del tiempo necesario para descargar un cdrom (700 Mbytes) GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 12

13 Sistemas de transmisión inalámbrica Latencia Además de la velocidad de transmisión, la latencia puede ser un factor determinante Es una medida de tiempo, pero su definición exacta depende del contexto En un disco duro, es el tiempo que tarda el cabezal en posicionarse en el sector requerido. Por tanto, es un tiempo muy elevado para el primer bit, nulo para los siguientes (del mismo sector) En el nivel de red, p.e. una red de conmutación de paquetes, el tiempo desde que comienza el envío de un paquete hasta que comienza su recepción. Es frecuente que la latencia del primer paquete sea superior a la de paquetes sucesivos En el nivel físico, p.e. un cable de fibra óptica, es el tiempo que tarda 1 bit desde que se envía hasta que se recibe GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 13

14 Ondas electromagnéticas y salud humana Ondas electromagnéticas y salud humana Estamos rodeados de ondas electromagnéticas pueden resultar perjudiciales para la salud? Ondas ionizantes. Frecuencias muy altas. Capaces de romper moléculas. Rayos UV, X, γ Ondas no ionizantes. Frecuencias empleadas en comunicaciones inalámbricas. No son capaces de romper moléculas RFR: Radio Frecuency Radiation. Desde MHz hasta GHz. Telefonía, transmisión de datos, radar, microondas. Si la potencia es elevada, provocan aumento de temperatura en tejidos ELF: Extremely Low Frecuency. Frecuencias muy bajas, 50/60 Hz. Líneas de potencia, transformadores, monitores de ordenador... Los campos por debajo de 1MHz inducen corrientes y campos electromagnéticos en los tejidos GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 14

15 Ondas electromagnéticas y salud humana Niveles máximos permitidos. (ICNIRP: International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) (SAR: Specific Absorption Rate) Nivel con alta probabilidad de consecuencias adversas para la salud: 4 W/Kg Nivel de seguridad ĺımite para profesionales: 0,4 W/Kg Nivel de seguridad ĺımite para público general: 0,08 W/Kg Ejemplos de distancia de protección Horno microondas 750W (si tuviera la puerta abierta): 4 metros Antena de telefonía en edificio: 4,5 metros GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 15

16 Ondas electromagnéticas y salud humana Radiación dentro de los ĺımites permitidos: Ningún estudio ha demostrado que resulte perjudicial Ningún estudio ha demostrado que resulte inocua En epidemiología hacen falta 15 o 20 años para extraer conclusiones Los experimentos sobre animales no son directamente extrapolables a los humanos Asunto de gran controversia sobre el que no hay certeza absoluta. Las informaciones alarmistas en los medios de comunicación suelen ser poco serias Pero también hay especialistas reconocidos que reclaman mayor prudencia GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 16

17 Espectro Expandido Espectro Expandido Técnica común en muchas tecnologías inalámbricas: IEEE , Telefonía 3G, Bluetooth... Se ocupa una banda de frecuencias mayor de la requerida Introducir redundancia es una idea muy habitual, desde antiguo P.e. NATO phonetic alphabet (alfa, bravo, charlie...) No confundir con Internation Phonetic Alphabet (que usamos para transcribir la pronunciación de un idioma) Desarrollado con fines militares (evitar interferencias y escuchas) Primera implementación: 1962 (sistema de guiado de torpedos) Minimiza la probabilidad o el impacto de las colisiones (que no pueden detectarse) GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 17

18 Espectro Expandido Varios tipos FHSS: Salto de Frecuencias (Frecuency Hopping) DSSS: Secuencia Directa (Direct Sequence) OFDM: Frecuencias Ortogonales (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 18

19 Espectro Expandido Espectro Expandido por Salto de Frecuencias: FHSS Salto de frecuencias (Frecuency Hopping Spread Spectrum) Se transmite en diferentes bandas de frecuencias, saltando de una a otra en forma predecible En la patente original (Antheil,Lamarr, 1942) se usaba un rollo tipo pianola No se implementa hasta los años 60 Actualmente emisor y receptor comparten generador de números pseudoaleatorios y semilla Muy resistente al multipath fading (desvanecimiento de trayectoria múltiple): La señal directa es aceptada, cuando la señal reflejada llega, esa frecuencia ya no es aceptada establece 75 bandas de 1 MHz Empleado por legacy GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 19

20 Espectro Expandido Patentado por Hedy Lamarr y George Antheil, 1942 GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 20

21 Espectro Expandido Espectro Expandido por Secuencia Directa: DSSS Secuencia directa. direct-sequence spread spectrum El espectro se expande al transmitir varios bits por cada bit original Esta información redundante sigue un patrón preestablecido, así que en caso de error se considera el valor legal más próximo Para cada bit, se envía su XOR con n bits aleatorios (chipping code): Origen y destino conocen el chipping code y están sincronizados : Código chipping de 11 bits, 2 Mbps (1 Mbps en entornos ruidosos) b: Modulación CCK (complementary coding keying), 11 Mbps (caídas a 5.5 Mbps, 2 Mbps y 1 Mbps). GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 21

22 Espectro Expandido Ejemplo de transmisión con (chipping code): Datos Chipping Code Sec. Codificada Sec. Recibida Chipping Code Datos Datos Si por error obtenemos 00101, supondremos que es un 0 GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 22

23 Espectro Expandido Espectro expandido por división de frecuencias ortogonales: OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Varias portadoras enviadas simultáneamente La detección de una portadora no limita la demodulación de otra Modulación muy robusta frente a la recepctión de señales con distintos retardos y amplitudes Muy usada actualmente: TDT, WiFi, WiMax, ADSL GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 23

24 Nivel de enlace: acceso al medio Acceso al medio en protocolos de enlace Reparto estático. Para n máquinas se divide el canal en n fragmentos y se asigna un fragmento a cada estación Reparto dinámico. Tiene en cuenta las condiciones del tráfico Protocolos con contienda (contention protocols) 1. Las estaciones se pelean por el canal cuando necesitan transmitir Protocolos sin contienda. No se usan mucho Protocolos con contienda limitada. Enfoque mixto. Se crean grupos, cada grupo sabe cuándo puede usar el canal, dentro del grupo hay contienda 1 También se denominan con colisiones o aleatorios. A veces se traduce contención, lo que induce a confusión GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 24

25 Nivel de enlace: acceso al medio Reparto estático del canal Reparto dinámico del canal Multiplexación por división en frecuecias Multiplexación por división del tiempo Contienda Libres de contienda Reserva Consulta Contienda limitada GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 25

26 Nivel de enlace: acceso al medio Nivel de enlace: acceso al medio En ethernet se emplea CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) Pero en redes inalámbricas resulta demasiado costoso Transmitir y recibir simultáneamente Distinguir la señal del ruido, por el elevado rango dinámico de la señal Se intenta evitarlas: Técnicas de espectro expandido Protocolos de acceso al medio especiales: CSMA/CA, MACA GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 26

27 Nivel de enlace: acceso al medio CSMA/CA: CSMA with Collision Avoidance Mecanismo general: Si el canal está ocupado se espera a que esté libre Si está libre, se espera un tiempo, y si sigue libre se transmite. El tiempo de espera puede ser fijo, aleatorio, o dependiente de la estación. GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 27

28 Nivel de enlace: acceso al medio CSMA/CA: problemas Nodos ocultos: Una estación cree que el canal está libre, pero está ocupado por otro nodo al que no oye.? A B C A está transmitiendo a B C quiere transmitir a B. C escucha el canal, y como no oye a A, transmite: MAL (colisión en B). GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 28

29 Nivel de enlace: acceso al medio CSMA/CA: problemas (2) Nodos expuestos: Una estación cree que el canal está ocupado, pero está libre (el nodo al que oye no le interferiría)? A B C D B está transmitiendo a A. C quiere transmitir a D. C escucha el canal, y como sí oye a B, no transmite: MAL (no habría colisión en D). GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 29

30 Nivel de enlace: acceso al medio CSMA/CA: problemas (3) Conclusión de qué sirve escuchar el medio antes de transmitir? a veces hay silencio pero no se debe transmitir a veces hay señal pero se puede transmitir GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 30

31 Nivel de enlace: acceso al medio MACA: Multiple Access with Collision Avoidance Antes de transmitir no se detecta el medio para detectar una portadora. Reglas: Antes de transmitir el emisor envía una trama RTS (RequestToSend), indicando la longitud de datos que quiere enviar. El receptor le contesta con una trama CTS (ClearToSend), repitiendo la longitud. Al recibir el CTS, el emisor envía sus datos Al ver un RTS, hay que esperar un tiempo por el CTS Al ver un CTS, hay que esperar según la longitud Las tramas RTS y CTS crean una portadora virtual GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 31

32 Nivel de enlace: acceso al medio MACA: nodos ocultos RTS CTS CTS DATA A B C El CTS de B llega a C, por lo que C espera para transmitir: BIEN GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 32

33 Nivel de enlace: acceso al medio MACA: nodos expuestos CTS RTS RTS RTS RTS CTS DATA DATA A B C D C no oye el CTS de A, por lo que puede intentar su RTS hacia D, que será respondido por D, y se enviarán los datos: BIEN MACA no resuelve todos los casos de nodos expuestos, e introduce otros nuevos GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 33

34 Referencias Referencias Wireless Networks (2nd ed), M. Gast, Ed. O Reilly Computer Networks (4th ed), A. Tanenbaum (apartados y 4.4) Computer Networks: A Systems Approach (3rd ed), L. Peterson (apartado 2.8) IEEE Wireless OMS. Los campos electromagnéticos y la salud pública GSyC Sistemas de transmisión inalámbrica 34